Prendi una matita. Fai un segno su un pezzo di carta. Congratulazioni:stai facendo fisica della materia condensata all'avanguardia. Potresti anche fare il primo segno sulla strada dei computer quantistici, secondo la nuova ricerca Perimeter.

Presentazione del grafene

Uno dei materiali più in voga nella ricerca sulla materia condensata oggi è il grafene.

Il grafene ha avuto un inizio improbabile:è iniziato con i ricercatori che si occupavano di segni di matita su carta. La "mina" della matita è in realtà fatta di grafite, che è un reticolo cristallino morbido fatto di nient'altro che atomi di carbonio. Quando le matite depositano quella grafite sulla carta, il reticolo è steso in fogli sottili. Separando quel reticolo in fogli più sottili, utilizzando originariamente lo scotch, i ricercatori hanno scoperto che potevano produrre scaglie di cristallo dello spessore di un solo atomo.

Il nome di questo filo di pollo su scala atomica è grafene. Quelle persone con lo scotch, André Geim e Konstantin Novoselov, ha vinto il premio Nobel 2010 per averlo scoperto. "Come materiale, è completamente nuovo:non solo il più sottile di sempre, ma anche il più forte, " ha scritto il comitato Nobel. "Come conduttore di elettricità, si comporta bene come il rame. Come conduttore di calore, supera tutti gli altri materiali conosciuti. È quasi completamente trasparente, eppure così denso che nemmeno l'elio, il più piccolo atomo di gas, può attraversarlo».

Sviluppo di un modello teorico del grafene

Il grafene non è solo una meraviglia pratica, è anche un paese delle meraviglie per i teorici. Confinato alla superficie bidimensionale del grafene, gli elettroni si comportano in modo strano. Tutti i tipi di nuovi fenomeni possono essere visti, e nuove idee possono essere testate. Testare nuove idee nel grafene è esattamente ciò che i ricercatori di Perimeter Zlatko Papić e Dmitry (Dima) Abanin hanno deciso di fare.

"Dima e io abbiamo iniziato a lavorare sul grafene molto tempo fa, " dice Papić. "Ci siamo incontrati per la prima volta nel 2009 a una conferenza in Svezia. Ero uno studente universitario e Dima era al primo anno del suo postdottorato, Penso."

I due giovani scienziati hanno iniziato a parlare di quale nuova fisica potrebbero essere in grado di osservare nello strano nuovo materiale quando è esposto a un forte campo magnetico.

"Abbiamo deciso di modellare il materiale, " dice Papić. Hanno lavorato sul loro modello teorico di grafene, acceso e spento, da allora. I due ora sono entrambi al Perimeter Institute, dove Papić è un ricercatore post-dottorato e Abanin è un membro della facoltà. Sono entrambi nominati in modo incrociato con l'Institute for Quantum Computing (IQC) dell'Università di Waterloo.

Nel gennaio 2014, hanno pubblicato un articolo in Lettere di revisione fisica (PRL) presentando nuove idee su come indurre uno stato strano ma interessante nel grafene, in cui sembra che le particelle al suo interno abbiano una frazione della carica di un elettrone.

Si chiama effetto Hall quantistico frazionario (FQHE), e sta girando la testa. Come la velocità della luce o la costante di Planck, la carica dell'elettrone è un punto fisso nel disorientante universo quantistico.

Ogni sistema nell'universo trasporta multipli interi della carica di un singolo elettrone. Quando il FQHE fu scoperto per la prima volta negli anni '80, i fisici della materia condensata hanno rapidamente capito che le "particelle" con carica frazionata all'interno dei loro semiconduttori erano in realtà quasiparticelle, ovvero comportamenti collettivi emergenti del sistema che imitano le particelle.

Il grafene è un materiale ideale in cui studiare il FQHE. "Perché è solo un atomo di spessore, hai accesso diretto alla superficie, " dice Papić. "Nei semiconduttori, dove FQHE è stato osservato per la prima volta, i gas di elettroni che creano questo effetto sono sepolti in profondità all'interno del materiale. Sono difficili da accedere e manipolare. Ma con il grafene puoi immaginare di manipolare questi stati molto più facilmente".

Nel giornale di gennaio, Abanin e Papić hanno riportato nuovi tipi di stati FQHE che potrebbero presentarsi nel grafene a doppio strato, ovvero in due fogli di grafene posti uno sopra l'altro – quando è posto in un forte campo magnetico perpendicolare. In un precedente lavoro del 2012, hanno sostenuto che l'applicazione di un campo elettrico sulla superficie del grafene a doppio strato potrebbe offrire una manopola sperimentale unica per indurre le transizioni tra gli stati FQHE. Combinando i due effetti, hanno discusso, sarebbe un modo ideale per esaminare gli stati FQHE speciali e le transizioni tra di essi.

Test sperimentali

Due gruppi sperimentali – uno a Ginevra, coinvolgendo Abanin, e uno alla Columbia, coinvolgendo sia Abanin che Papić - da allora hanno messo a frutto il metodo del campo elettrico + campo magnetico. Il documento del gruppo Columbia appare nel numero del 4 luglio di Scienza . Un terzo gruppo, guidato da Amir Yacoby di Harvard, sta svolgendo un lavoro strettamente correlato.

"Lavoriamo spesso a stretto contatto con sperimentatori, " dice Papić. "Uno dei motivi per cui mi piace la materia condensata è che spesso anche la più sofisticata, la teoria all'avanguardia ha buone possibilità di essere rapidamente verificata con l'esperimento."

All'interno sia del campo magnetico che elettrico, la resistenza elettrica del grafene dimostra lo strano comportamento caratteristico del FQHE. Invece della resistenza che varia in una curva uniforme con la tensione, la resistenza salta improvvisamente da un livello all'altro, e poi altipiani – una sorta di scala di resistenza. Ogni gradino è uno stato diverso della materia, definito dal complesso groviglio quantistico di cariche, gira, e altre proprietà all'interno del grafene.

"Il numero degli stati è piuttosto ricco, " afferma Papić. "Siamo molto interessati al grafene a doppio strato a causa del numero di stati che stiamo rilevando e perché abbiamo questi meccanismi - come la sintonizzazione del campo elettrico - per studiare come questi stati sono correlati, e cosa succede quando il materiale cambia da uno stato all'altro."

Per il momento, i ricercatori sono particolarmente interessati ai gradini la cui "altezza" è descritta da una frazione con denominatore pari. Questo perché ci si aspetta che le quasiparticelle in quello stato abbiano una proprietà insolita.

Ci sono due tipi di particelle nel nostro mondo tridimensionale:fermioni (come gli elettroni), dove due particelle identiche non possono occupare uno stato, e bosoni (come i fotoni), dove due particelle identiche vogliono effettivamente occupare uno stato. In tre dimensioni, i fermioni sono fermioni e i bosoni sono bosoni, e mai i due si incontreranno.

Ma un foglio di grafene non ha tre dimensioni, ne ha due. È effettivamente un minuscolo universo bidimensionale, e in quell'universo, possono verificarsi nuovi fenomeni. Per una cosa, fermioni e bosoni possono incontrarsi a metà strada, diventando anyoni, che può essere ovunque tra fermioni e bosoni. Ci si aspetta che le quasiparticelle in questi stati speciali a gradini siano anyon.

In particolare, i ricercatori sperano che queste quasiparticelle siano anioni non abeliani, come la loro teoria indica che dovrebbero essere. Sarebbe eccitante perché gli anyon non abeliani possono essere utilizzati nella creazione di qubit.

Qubit di grafene?

I qubit sono per i computer quantistici ciò che i bit sono per i computer ordinari:sia un'unità di informazione di base che l'attrezzatura di base che memorizza tali informazioni. A causa della loro complessità quantistica, i qubit sono più potenti dei normali bit e la loro potenza cresce esponenzialmente man mano che ne vengono aggiunti altri. Un computer quantistico di soli cento qubit può affrontare determinati problemi al di fuori della portata anche dei migliori supercomputer non quantistici. O, potrebbe, se qualcuno potesse trovare un modo per costruire qubit stabili.

La spinta a creare qubit è parte del motivo per cui il grafene è un'area di ricerca calda in generale, e perché gli stati FQHE a denominatore pari, con i loro anoni speciali, sono particolarmente ricercati. "Uno stato con un certo numero di questi anyon può essere usato per rappresentare un qubit, " dice Papić. "La nostra teoria dice che dovrebbero essere lì e gli esperimenti sembrano confermarlo - certamente gli stati FQHE a denominatore pari sembrano essere lì, almeno secondo gli esperimenti di Ginevra."

Questo è ancora a un passo dalla prova sperimentale che quegli stati a gradino pari a denominatore contengono effettivamente anyon non abeliani. Resta altro lavoro, ma Papić è ottimista:"Potrebbe essere più facile da dimostrare nel grafene che nei semiconduttori. Tutto sta accadendo proprio in superficie".

È ancora presto, ma sembra che il grafene a doppio strato possa essere il materiale magico che consente di costruire questo tipo di qubit. Sarebbe un segno importante sull'improbabile linea tra la mina della matita e i computer quantistici.